D.Palasro's Blog: Noise dan Aliran Turbulence (Aplikasi CFD)

Di dalam mekanika fluida, turbulence mengarah kepada gangguan di dalam sebuah aliran. Gangguan-gangguan ini menyebabkan efek pada aliran tersebut, serta pada elemen yang terkandung. Akhirnya gangguan-gangguan ini memiliki sifat bermanfaat di dalam berbagai bidang, dan sifat berbahaya di dalam bidang lainnya. Sebagai contoh, turbulence meningkatkan proses-proses yang melibatkan mixing, pertukaran panas, dsb. Namun ini menuntut enegi yang lebih besar dari kipas dan pompa, mengurangi efisiensi turbin dan mengakibatkan noise di dalam katup dan meningkatkan getaran dan ketidakstabilan pada pipa, dan elemen lainnya.

Persamaan aliran fluida yang digunakan secara umum adalah persamaan Navier-Stokes

Dimana ui adalah komponen-komponen kecepatan pada setiap titik dan pada setiap momen waktu. v adalah viskositas, p adalah tekanan pada setiap titik dan setiap momen waktu, dan fi mengarah kepada gaya eksternal pada setiap titik dan setiap momen waktu. Dengan meniadakan viskositas dan efek-efeknya kita mendapatkan persamaan aliran fluida Euler.

Sebagai tambahan di dalam penyerdehanaan, jika kita membuat fluida stasioner, sehingga

Kita mendapatkan teorema Bernoulli

Persamaan-persamaan di atas adalah persamaan-persamaan yang mengatur pergerakan fluida. Di dalam kondisi-kondisi tertentu, persamaan-persamaan di atas tidak mewakili keadaan realitas, hanya penyelesaian numerikal yang akurat yang dapat mewakili fenomena ini.

Osborne Reynolds menemukan parameter yang memprediksi atau mengantisipasi kekacauan dan turbulensi dari fluida: Bilangan Reynolds.

Untuk Re<2000, aliran fluida adalah laminar, 2000<Re<4000 aliran fluida dalam transisi, dan Re>4000 aliran fluida adalah turbulence.

Aliran turbulence mengalami tiga fase atau keadaan pengembangan yaitu:

1. Pertumbuhan vortices koheren dua dimensi

2. Penggabungan vortices

3. Pemisahan vortices dan keadaan turbulence dalam 3D

Fluid Induced Noise (FIN)

Untuk kasus-kasus khusus dari noise yang dihasilkan dari aliran turbulence, hal yang perlu diperhatikan adalah tekanan dan densitas.

Di mana Tij adalah tensor tegangan turbulence. Jika fluida dapat dikompres, variasi tekanan disertai dengan variasi densitas, persamaannya adalah

Merujuk pada tensor tegangan turbulence, aliran turbulence menghasilkan variasi tekanan dan densitas. Persamaan pertama menyebabkan noise, dan dengan demikian dianggap sebagai sumber noise.

Ada banyak aplikasi dari analisa turbulence yang menghasilkan noise adalah:

1. Penentuan kebocoran melalui dudukan safety relief valve dari sisi luar dengan cara teknik non-intrusif

2. Elemen kerusakan karenan resonansi frekuensi

Simulasi Turbulence pada Software CFDSOF

Ada sebuah pipa dilalui suatu aliran fluida turbulence. Kecepatan fluida pada sisi inlet v = 0.001 m/s. Diameter dalam pipa adalah d= 5 cm.

Langkah-langkah di dalam Software CFDSOF adalah sebagai berikut:

1. Menentukan daerah domain yaitu p x l x t = 1 x 0.025 x 1 m. Jumlah cell 50i x 20j. Diamater kita tentukan 0.025 m karena kita mengaktifkan aksissimetri.

2. Mengatur cell. Sebagai daerah inlet kita tentukan daerah di i1,j2 sampai i1,j19. Daerah outlet kita tentukan dari i50,j2 sampai i50,j19. Dari i1,j1 sampai i50,j1 sebagai wall. Dan daerah simetri dari i1,j20 sampai i50,j20.

3. Mengatur model. Pada konteks turbulensi, kita tentukan model K-Epsilon.

4. Kita tetapkan kondisi sempadan untuk inlet 1 sebagai velocity inlet. Kita masukkan kecepatan u (arah sumbu x) sebesar 0.1 m/s. Parameter turbulence yaitu intensity turbulence 10% dan Panjang character 0.05m.